解读丨强化科技创新驱动 推动煤炭清洁低碳高效开发利用

强化科技创新驱动

推动煤炭清洁低碳高效开发利用

规划编制煤炭专业组

世界能源处于大变局时代，各国将科技创新视为推动能源转型的重要突破口。国际矿业正在经历一场深刻的革命，建立绿色、安全、高效的现代化智慧矿山开发与利用体系是未来发展方向。我国能源资源禀赋特点决定煤炭在未来一段时期内仍是我国主体能源，在保障国家能源安全、支撑实现碳达峰碳中和目标等仍将发挥“压舱石”和“稳定器”的重要作用。

一、国内外煤炭科技发展现状及趋势

（一）世界煤炭科技发展现状与趋势

发达国家率先建立了成熟的煤炭科技研发体系，注重与现代科学技术结合，以机械化、数字化技术助力煤炭实现安全高效生产，重视矿山环境保护与生态修复，发展煤炭的清洁高效转化与利用。

1. 建立成熟领先的科技研发体系与研发计划

国外主要煤炭生产国和消费国，如美国、德国、澳大利亚、日本等较早开展煤炭开发利用相关研究，结合气候、环保形势针对性部署高碳能源低碳利用前沿研究。美国能源部（Energy Department, DOE）2018年～2021年在煤炭清洁转化领域先后投入超过8100万美元，支撑发展煤基复合建筑材料、高性能材料及电池材料等，并计划投资1.22亿美元建立煤炭产品创新中心，专注于从煤炭产品中制造具有高附加值的碳基产品，开发从煤炭中提取和加工稀土元素和重要矿物的新方法。澳大利亚实施的“煤炭联合会研究计划（ACARP）”，开展近30年并持续在煤炭自动化开采、安全生产和职业健康状况改进、环境保护和温室气体减排等领域加大投入。

2. 在智能绿色开发方面，重视数字化科技、环境保护与职业健康防护技术

一方面重视煤炭智能技术装备开发，较早开始研究智能采矿技术，以工业自动化技术为基础实现煤机装备的程序控制、远程可视化监控、装备状态监测等功能，致力于通过先进传感器、高速通信与可视化、虚拟仿真实训技术、防尘与噪声控制技术等实现矿山自动化、智能化，促进矿山安全高效生产和职业健康状况改善。美国和澳大利亚在开采条件好的中厚煤层已实现了长工作面高速截割、高速运输、高度自动化采煤。另一方面通过严格的法律、环境标准促进开展煤炭绿色开发与职业健康保护技术研究，在土地复垦和废石、尾矿、废气、废水的处理领域取得系列关键技术。

3. 在清洁高效利用方面，重视煤炭清洁高效燃烧与转化技术

国外大力支持近零排放燃煤发电技术开发，包括先进超超临界技术（二次再热超超临界、700℃超超临界等）、IGFC、富氧燃烧、CCS技术等；在燃煤工业炉窑的清洁燃料制备、高效燃烧及炉型结构、低NOx燃烧和燃烧烟气的深度治理方面进行了大量研究。较早开展煤炭清洁转化及相关技术的研发，掌握了一系列核心技术。如德国分别在1927年、1934年建成世界第一座煤炭直接液化与间接液化工厂，美国美孚公司于1976年开发成功甲醇生产汽油的MTG技术，在煤炭热解、气化、液化等领域拥有核心技术与装备。但近些年国外在煤炭清洁高效转化方面总体上处于高端技术研发与储备阶段，这主要是由于各国能源结构不同，在煤炭清洁转化领域的研发和产业化方面投入力度不同，目前仅有南非和美国等少数国家开展了部分示范工程和商业运行。

（二）我国煤炭科技发展现状与趋势

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一。我国煤炭科技与国外相比，在很多领域从追赶态势趋向于并跑或领跑，当前我国煤炭科技处于换挡提升、高水平、高质量发展的关键期。煤炭开发的绿色化和智能化、煤炭利用的清洁化和低碳化成为煤炭高质量发展的必然要求。

1. 煤炭智能绿色开发技术体系逐步建立

在灾害地质体超前探测方面取得新突破，开发了井下瞬变电磁法、无线电坑道透视、地质雷达、槽波地震、微震监测等多种物探技术与装备，巷道超前探测距离达到200米。丰富了以冻结、钻井、注浆为主的建井理论与技术体系，研制出超大直径深立井建井技术和大型成套装备。全国已建成400余个智能化采掘工作面，形成了“有人安全巡视、无人跟机作业”的智能开采工作面新模式，大断面快速掘锚系统、岩巷全断面掘进装备、大倾角矿用盾构机等在井下试验应用，8.8米智能超大采高综采、7.0米大采高智能综放系列成套装备成功投用，纯水液压支架示范应用。建立了保水开采、充填开采、煤与瓦斯共采、无煤柱开采等绿色开采技术体系。

2. 煤矿重大灾害综合防控技术体系初步完善

矿井复杂地质构造与灾害源探测、深部开采突水动力灾害防治、大空间采空区防灭火、井下瓦斯高效抽采等技术取得突破。冲击地压防治方面，研发了系列巷道防冲吸能支护装备及能量释放与吸收监测装备。矿井水害防治方面，井工煤矿开采涌水量预测的“动—静储量法”“倒置大井法”等解析法取得重要进展。煤岩瓦斯动力灾害方面，初步搭建了煤矿瓦斯突出预警平台，实现了激光甲烷传感器高稳定性量测、有线+无线综合传输。同时，三维矿井通风智能分析技术已达到国际领先水平；实现了煤矿粉尘的远程在线监测。百万吨死亡率持续下降，从“十二五”末的0.162下降到2020年的0.0509。

3. 形成了包含煤炭加工、清洁转化与污染物控制的煤炭清洁利用技术体系

千万吨级湿法全重介选煤、大型干法选煤技术成功应用，年处理原煤400万吨的洗选成套技术与装备已实现国产化。高效煤粉工业锅炉、水煤浆浆体化CFB供热供暖锅炉、民用新型燃煤炉具、低阶煤热解等技术取得突破。现代煤化工产业关键技术和核心装备自主化取得重大突破，具有自主知识产权的神华宁煤400万吨/年煤炭间接液化等一批煤炭深加工重大示范工程建成投产，煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制甲醇制汽油等示范项目取得成功，污废水实现循环利用和“近零”排放。

二、“十四五”重点攻关技术方向及发展目标

“十四五”时期，煤炭科技发展要以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入贯彻创新驱动发展战略和能源安全新战略，坚持新发展理念，以支撑引领现代化煤炭经济体系建设为目标，加强新一代信息技术与煤炭开发利用深度融合，大力提升自主创新能力，加强煤炭基础理论研究，突破新一代煤炭安全绿色智能化开发和清洁高效低碳化利用关键核心技术，强化重大技术创新示范引领，推广先进适用技术，构建开放型合作创新生态，支撑煤炭工业高质量发展。

（一）基本形成现代化煤炭绿色智能开发利用体系

煤炭资源精细勘查、非爆破精准掘进、煤炭智能精准开采、煤矿重大灾害防控、煤炭清洁高效转化核心关键技术攻关取得突破，完善形成生态环境低扰动绿色开采技术体系、煤矿智能化开采技术体系、深部煤炭资源安全高效开采技术体系、煤炭智能化洗选加工技术体系、煤炭清洁高效转化技术体系、煤系共伴生资源开发利用技术体系、关闭矿井资源综合利用技术体系等。

（二）煤矿智能安全技术装备水平大幅提高

突破智能矿山核心关键技术与装备，分类分级推进智能化煤矿建设。大型煤机装备、露天开采装备、煤炭洗选装备与煤化工装备的智能化和可靠性水平大幅提升，关键零部件、核心元器件、控制系统与软件实现自主化。大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，实现井下重点岗位机器人作业，露天煤矿智能连续作业和无人化运输。冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害防治能力进一步提升，工作面粉尘防治取得明显成效。

（三）现代煤化工实现高端化、低碳化、多元化发展

突破煤油共转化制清洁燃料与化学品、煤制芳烃等关键工艺技术；煤转化有机固废和污废水、矿井水低成本资源化利用技术，千万吨级煤炭分质分级利用技术取得积极进展。

三、煤炭科技发展展望

（一）推动煤炭绿色智能化开发

煤炭安全绿色智能化开发是适应现代工业技术革命发展趋势、保障国家能源安全、实现煤炭工业高质量发展的关键举措和有效手段。“十四五”阶段重点推动煤矿智能化、煤炭绿色开发和资源化利用、煤矿重大灾害监控预警与防控、煤炭及伴生资源综合开发等技术装备研发。

1. 煤矿智能开采关键技术与装备

近年来在《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》《煤矿智能化建设指南》等政策支持下，我国煤矿智能化技术发展很快，初步实现了不同水平的“记忆截割为主，人工干预为辅、无人跟机作业、有人安全巡视”为特征的智能化开采。在智能地质保障技术、大型设备群位姿监测、环境感知及智能决策等智能化技术方面存在短板。

“十四五”时期重点研发智能实时随机超前探测技术，研发非接触式地质异常精准探测技术、多致灾参量随钻测量技术等，构建多源数据智能实时处理及解释系统，提升煤矿探掘采协同动态精准地球物理探测装备智能化控制、技术集成处理水平，支撑“透明矿井”所要求的地质保障体系建设；突破井筒机械破岩智能建设、综采设备精准定位与导航、综采设备群智能自适应协同推进、井下智能网联无轨辅助运输等关键技术和装备，开发适应各类煤矿条件的快速掘进智能化成套装备，提高掘进效率，减少作业人员。

2. 煤炭绿色开发和资源化利用技术

我国煤矿绿色开采经过近20年的研究与工程实践，形成了充填开采、矸石减排、减沉开采与环境修复等技术体系，近些年保水开采、煤-气共采等技术发展较快，但相对来说仍存在绿色开采理论与技术体系不完善、绿色开采效率与规模开采要求不协调等问题，同时亟须建立全生命周期的煤炭绿色开发，拓展大宗固废利用、废弃矿井挖潜开发等。

“十四五”时期重点开展采空沉陷动态监测技术、矸石等固体废弃物充填采煤技术、地表生态修复、煤水资源一体化利用技术研发，形成矿区环境采动损伤精准监测感知与控制、矿区生态健康预警与修复技术体系；开展关闭矿井资源挖潜再利用技术、采空区封存CO?研究，初步形成矿井气-水-地热-空间等资源开采技术体系与利用模式，实现关闭（废弃）矿井资源的深度开发；开展矿区典型大宗固废资源化利用示范，建设煤矿地下水、低浓度瓦斯、井下废热等低位热能利用技术示范工程，开展地下煤火热能利用与生态恢复综合示范与生态恢复综合示范，实现煤炭的绿色开发和资源综合利用。

3. 煤矿重大灾害及粉尘智能监控预警与防控技术

我国煤炭生产重心逐步向深部转移，地质赋存条件日趋复杂，矿井重大灾害事故防控压力很大，建立煤矿重大灾害智能监控、预测预警及综合防控技术是重大灾害事故防治的重要措施。

“十四五”时期研究工程扰动下深部原位岩石力学行为，突破深部强采动大变形围岩控制、冲击地压智能防控、以及冲击危险源自动化探测、智能辨识、预测预警技术，开发冲击危险区域高效、精准、智能卸压解危技术与装备；开展深部工程结构围岩地层改性、深部高地应力采场围岩综合控制等技术研究；研制井下极端复杂环境下多功能、高精度、低功耗智能感知设备，开发矿井灾变事故应急救援机器人，研发井下海量多源异构数据的高效分析处理与智能预测技术，实现重大灾害事故风险识别、预测与预报预警；突破采掘面粉尘控制与净化、呼吸性粉尘浓度连续在线监测、粉尘危害精确预警等关键技术，开发大容量和强耐湿性的送风过滤式个体防护设备，实现粉尘高效防控。

4. 煤炭及伴生资源综合开发技术

我国多数聚煤盆地中均发现煤与多种矿产资源共伴生赋存，开展煤系伴生资源协同开发理论与技术攻关具有很大的潜在经济效益与战略价值。当前以鄂尔多斯本地、准噶尔盆地、塔里木盆地为代表的煤、煤层气、油气共伴生资源开采面临勘探水平亟待提高、开采理论及技术体系有待建立等问题，随着智能工业革命势头强劲，信息化技术将传统采矿带来精准型、定量智能型，为实现多资源开采扰动识别、精准协调开发模式动态切换等提供了可能。

“十四五”期间开展精确探明煤、油、非常规天然气、稀有金属、水等叠置资源赋存条件，研发煤系伴生金属非金属固体矿产资源协调开采方法与技术体系，精准定量确定开发模式研究，实现深部煤炭及伴生资源的有效开发；在已有碎软低渗煤矿区煤层气地面抽采、煤矿井下精准抽采、井上下联合抽采等技术突破，以及煤矿规划区、准备区、生产区三区联动井上下联合抽采模式（晋城模式）基础上，开展深部煤系“三气”（煤层气、页岩气、致密砂岩气）综合开发、矿区煤层气分布式经济高效利用技术研究，推进煤矿区煤层气开发与瓦斯治理协同示范。

（二）推动煤炭清洁高效转化

“清洁”要求煤炭利用低污染低碳化，“高效”要求煤炭经济高效，利用具有高效益、经济性，成本具有国际和综合竞争力。当前煤炭转化与利用效率偏低，精细化、差异化、多元化产品开发不足，产业比较优势不明显、竞争力不强。未来亟须在煤炭分级转化、重要能源化工产品、煤化工与其他能源系统耦合集成等方向开展攻关。

1. 煤炭精准智能化洗选加工技术

煤炭洗选加工是洁净煤技术的基础和源头，在政策扶持、环保及商品煤高质量要求下，我国选煤产业和选煤技术得到快速发展。当前选煤厂洗选工艺主要以重介洗选工艺为主，技术指标达到国际先进水平。但大型重介浅槽分选机、大型振动设备进口依赖度高，选煤装备可靠性、智能化水平仍待提高。

“十四五”时期重点研发旋流场重介质精准分选、界面调控增强选择性浮选、高效智能干法分选、煤泥水高效固液分离等关键技术装备，突破工艺参数和产品质量高精度在线检测及预测技术，形成煤炭精确分选技术工艺和装备；突破自适应原煤性质全流程智能控制、数字孪生运维等技术，构建智能化选煤技术体系。

2. 新型柔性气化和煤与有机废弃物协同气化技术

煤气化是现代煤炭转化的龙头技术，当前我国已形成具有自主知识产权的大型加压煤气化等新技术新装备，极大推动了煤化工产业发展，但与国际先进技术相比仍有差距，在进一步大型化、降低投资和运行成本方面仍有较大发展空间。

“十四五”期间集中攻关适宜于油气联产的大型柔性气化炉技术，提高甲烷产率、减少污水排放量，实现低阶煤的清洁高效利用。开展水煤（焦）浆与炼厂废弃物共气化技术研发与示范，协同处理炼厂含油污泥、废油浆等废弃物；开展2000吨/天粉焦气流床气化技术装备研发与示范，协同处置煤化工生产中的高浓度有机废液；开展3000吨/天粉煤加压气化技术研发与示范，解决高灰分、高灰熔点煤清洁高效气化难题。

3. 煤制油工艺升级及产品高端化技术

煤转化制液体燃料是煤炭清洁高效利用的重要途径，煤炭液化包括直接液化和间接液化两条路线，且均在我国实现了百万吨级工业示范。但直接液化技术存在反应条件苛刻、工程化与操作难度大；间接液化存在能效相对低、产物单一且难以制取高品质油品等缺点。未来亟须发展提升过程能效、油品收率及品质的规模化成套技术。

“十四五”期间重点突破煤炭分级液化的温和加氢液化、残渣热解、固体残渣-废水共气化等关键技术，满足反应压力≤10MPa、煤转化率≥82%、油收率≥40%，完成万吨级中试验证；液化残渣流化焦化，千吨级中试验证；与间接液化技术集成，总体能效52～55%，汽柴油产品满足国六标准。研发百万吨级煤油共加氢制芳烃和军用燃料、航空燃料等高品质特种燃料油成套技术。优化升级超百万吨级大型煤炭间接液化成套技术装备，提升生产数字化、过程清洁化、产品高端化水平，进一步开发汽油等超清洁液体燃料生产技术。

4. 低阶煤分质利用关键技术

低阶煤占我国探明煤炭储量的55%以上，产量占约30%，低阶煤分质分级利用可显著提升碳和热的转化率，降低能耗和水耗，能效高、污染小，适合在我国低阶煤资源丰富、生态脆弱和水资源缺乏的地区开发利用。

“十四五”时期基于当前低阶煤分质利用技术装备研发基础开展示范试验，突破煤焦油深加工制取化工新材料技术，重点开展百万吨级低阶粒煤热解及产品深加工、万吨级粉煤热解与气化耦合一体化等技术装备工程示范，推进低阶煤分质利用。

5. 煤转化过程中多种污染物协同控制技术

国内工业窑炉的烟气脱硫脱硝已成为下一步我国进行环境治理的重点，现有的活性焦干法脱硫脱硝技术存在投资成本与运行成本高的问题，难以推广应用。“十四五”期间煤化工产业继续开展技术升级示范，污染防治和污染物减排技术的升级是重中之重，大量煤化工含盐废水的低成本处理是亟待解决的问题。

“十四五”时期重点攻关低成本炭基催化剂制备、新型脱硫脱销反应器及原位再生等关键技术装备，形成适于工业炉窑烟气多种污染物协同净化成套技术；突破煤化工高盐、高浓、难讲解有机废水深度处理工艺技术，形成煤化工转化过程中废水协同净化技术。